激光三角法測量物體位移

1、實用文檔 光電檢測課程設計題 目 名 稱激光三角法測位移學 生 姓 名毛啟盛專 業(yè)測控技術與儀器學 號120211319指 導 教 師王凌云光電工程學院2015年 12 月摘 要本課程設計基于激光三角法原理對物體較小范圍內(nèi)的移動進行測量。在長度、距離及三位形貌等的測試中有廣泛應用。通過激光三角法兩個方案直射式和斜射式的特點，結合實驗條件，選擇最合適的方案進行測量。本次測量最大的特點就是非接觸式測距，實際中對非接觸式測距一般很難知道物體到成像透鏡的距離，可由成像透鏡焦距以及激光光線和物體散射光線組成的三角形的邊長計算出該距離。通過定標，得出透鏡上成像距離與物體像移動距離間的對應關系，用此標尺作為

2、計算移動位移的標準。移動物體采集光斑圖像，用matlab軟件對圖像處理進行處理，計算像的移動距離，再根據(jù)幾何關系推導出物體的實際移動距離。在最后計算出該方案的標準不確定度，并對方案產(chǎn)生的誤差進行分析，提出改進意見。設計方案光路簡單，方便快捷，受環(huán)境影響小而且測量精確度較高。 關鍵詞：激光三角法；測距；定標；CCD；誤差分析目 錄引 言11. 設計任務12. 激光三角法測距基本原理13.方案論證和選擇23.1 激光三角法測距現(xiàn)狀23.2 測量方案23.3 方案比較與選擇43.4 器件選擇64. 方案驗證步驟及數(shù)據(jù)記錄64.1 方案驗證步驟64.2 測量數(shù)據(jù)記錄64.2.1 測量獲得成像透鏡焦距6

3、4.2.2 定標74.2.3 移動物體測量位移75. 測量數(shù)據(jù)處理85.1 各個距離測量值計算85.2 定標計算95.3 光斑位移量計算105.4夾角和物體實際移動位移計算106. 誤差分析及方案評價116.1 相對誤差和絕對誤差計算116.2 誤差分析126.3 設計方案評價127. 課題分析評價138. 課設總結13參考文獻14附錄1 實驗器件清單15附錄2 實驗光路圖16附錄3 圖像處理程序17附錄4 光斑圖像處理后灰度圖18附錄5 物體移動光斑圖19標準文案標準文案引 言 激光具有方向性好、單色性好、亮度高等特點，因此利用它們作為測距的發(fā)射源有很多優(yōu)勢，比如測量速度快、精度高、測距遠等

4、。隨著半導體激光器的出現(xiàn)，激光測距正向小型、快速、低功耗、低成本和人眼安全方向發(fā)展。目前激光測距技術主要有脈沖測距、相位測距、激光干涉法測距、激光三角法測距等。 脈沖激光測距的主要特點是單次測量時間短、測距遠、無需合作目標、隱蔽和安全性好。但測量精度相對低，一般為米級精度。相位激光測距，其特點是測量精度高，能夠達到毫米級別，但要求使用連續(xù)激光器，單次測量時間較長，測量較遠距離時，需要在目標處放置合作目標。對于小型或便捷式激光測距設備而言，由于受到激光器功率的限制，相位激光測距的測距一般不大，通常為百米以內(nèi)。干涉法激光測距，其特點是測量精度較高（達到微米級）。但其測量精度容易受大氣起伏的影響，而

5、且要求基座采用笨重的儀器設備。激光三角法測距，其特點是簡便、精度高、適合測量微小位移。但其測量精度受光學系統(tǒng)和CCD成像系統(tǒng)分辨率的限制，系統(tǒng)對接收機器件的要求也較高，同時不能用非匹配表面物體和透明物體作為被測目標。1. 設計任務（1）掌握激光三角法的測量原理；（2）掌握CCD的工作原理與數(shù)據(jù)處理；（3）設計測量光路；（4）完成測量光路的搭建及物體位移的測量；（5）分析測量精度；2. 激光三角法測距基本原理在被測物體表面上方，用一束激光以一定角度照射，激光在物體表面發(fā)生散射或者反射，在另一角度用成像系統(tǒng)對激光散射或者反射的光進行匯聚成像，當被測物體位置發(fā)生變化時，被測物體上的激光照射所產(chǎn)生的光

6、斑的位置變化，光散射或者反射的角度也會發(fā)生變化，用光學系統(tǒng)對光線進行匯聚，光斑在成像系統(tǒng)CCD上會發(fā)生位移，從而在計算機屏幕上也可觀察到光斑的相應移動。通過matlab軟件對采集的圖像進行處理可以得到兩個光斑間的距離，再通過最初定標得到的比例尺，換算出在它CCD表面上的移動距離。由于激光出射光線和反射（散射）光線構成一個三角形，對光斑位移的計算，幾何三角和激光器運用其中，所以稱此方法為激光三角法測距。 按照入射激光光束和被測物體表面法線的角度關系，一般分為直射式和斜射式兩種方式。3.方案論證和選擇3.1 激光三角法測距現(xiàn)狀激光三角法測距之初，所選擇的激光器體積大，受環(huán)境干擾情況嚴重，因此測量精

7、度大大下降，并未得到廣泛應用。近年來隨著半導體技術以及計算機技術的發(fā)展有了突飛猛進的成果，半導體激光器的出現(xiàn)使得測量光路更加簡單，并且受環(huán)境干擾性小，計算機對圖像的處理使計算距離更加精確、快速，因此激光三角法測試技術在測量物體位移方面得到廣泛應用。激光三角法測量常采用直射式和斜射式兩種結構，因此有直射式和斜射式兩種結構。3.2 測量方案方案1：直射式測量nx光電探測器會聚透鏡激光器abx接收透鏡 圖3.1激光三角法直射式測位移原理圖 如圖3.1 所示，激光器發(fā)出的光線，經(jīng)會聚透鏡聚焦后垂直入射到被測物體表面上，物體移動或者其表面變化，導致入射點沿入射光軸的移動。入射點處的散射光經(jīng)接收透鏡入射到

8、光電探測器（PSD或CCD）上，散射光經(jīng)接收透鏡匯聚后在PSD或CCD上成像，移動物體前后采集的兩幅圖像經(jīng)過軟件處理求出其間距，根據(jù)推導得出的公式可求得物體實際移動距離。 各參量如圖3.1所示,應滿足以下： ，sin=n/a， （3-1） （3-2） 由相似三角形可得： （3-3） CCD表面移動位移與物體實際移動距離之間的關系，由以上（3-1）式至（3-3）式綜合可解得： （3-4）夾角nmab激光器會聚透鏡方案2：斜射式測量CCD 接收透鏡 圖3.2 激光三角法斜射式測位移原理圖激光器發(fā)出的光線和被測面法線成一定角度入射到被測面上，同樣地，物體移動或其表面變化，將導致入射點沿入射光軸的移動

9、。入射點處的散射光經(jīng)接收透鏡入射到光電探測器上。斜射法中通過使入射光方向與測量物表面法線成一定的夾角，避免了直射式中要求的入射光方向物體表面垂直的要求。由于直射式測量法散射后的光線只有很少一部分被CCD接收到，因此不能測量反射性很好的物體表面。斜射法不用限制物體表面反射率，只要物體表面平整即可。 各參量如圖3.2所示，應滿足以下：角度滿足關系 （3-5）由相似三角形有 （3-6） （3-7） （3-8）測量位移與入射角間滿足 （3-9）CCD表面移動位移與物體實際移動距離之間的關系，可以由（3-5）式至（3-9）式綜合解得： （3-10）3.3 方案比較與選擇 由于直射式測量法散射后的光線只有

10、很少一部分被CCD接收到，因此不能測量反射性很好的物體表面。斜射法則不用限制物體表面反射率，只要物體表面平整即可。通過對比兩種方案的特點以及實驗中測量物體的特性，斜射式在搭建光路時對角度受限制性小，無需使激光入射角為零，并且在CCD接收光斑時對物體表面要求較低。斜射式測量方法精確度高，實驗中測量的距離較短，因此在本次實驗設計中選擇斜射式激光三角法測距。并且考慮到測量的誤差，實際測量中，又把斜射式進行了改良，使得誤差在理論上有所減少。該改進的斜射式把圖3.2中的角設為0度。原因有：（1） 測量目標的移動使得光斑移動，即成像前后在CCD上的光線形成一個夾角。由于CCD的接收面積有限，在實驗中不能接

11、收任意角度的光線。而為了測量的精確度需要測量多組數(shù)據(jù)，所以測量目標移動相對比較大，光線夾角也較大，CCD就不能很理想的接收各個位移的光斑，給本次測量帶來不可實現(xiàn)的困難。這樣就使得圖3.2的方案無法實現(xiàn)或者實現(xiàn)的效果不好。（2） 該改良方案保持被測目標、成像透鏡和CCD在同一水平線上，CCD掃描軌跡沒有改變，即成像的光斑不變形。光斑也是相對的準確，它們在一定程度下都是處于相同條件采集得到，當用MATLAB進行圖像處理時比較方便可靠。這種方法有效避免了CCD斜拍時產(chǎn)生的圖像扭曲造成的誤差，提高測量精度。（3） 該改良方案中激光出射的光線的法線上依次放置光屏、接收透鏡和光電探測器CCD，所以該方案中

12、只有一個角度值，故實際只需要測量兩個邊長，通過余弦定理求出公式中的sin和cos，與傳統(tǒng)的斜射式相比，減少了兩個邊長的測量，而由于測量量的減少，從理論上大大提高了測量的精確度。 （4） 該改良方案大大提高物體位移的距離，也就是說可以測量很多點的位移，測量方法靈活，可操作性強。提高了激光三角法在實踐測量中的應用，而且實驗時所用到得儀器簡單且數(shù)量少，光路簡單，容易理解激光三角法的基本工作原理，從而簡化了物體位移的最終計算公式。 CCD成像透鏡衰減器激光器AabBx圖3.3 激光三角法實際實驗圖則最后所求的物體位移公式為： （3-11）3.4 器件選擇 從設計出的實驗光路圖可得，所需儀器有半導體激光

13、器、成像透鏡、CCD、衰減器、刻度尺、白屏、卷尺、細繩（無彈性）、手電筒、計算機、光學實驗平臺。4. 方案驗證步驟及數(shù)據(jù)記錄4.1 方案驗證步驟（1） 測量獲得成像透鏡的焦距，用于間接確定像距和物距，經(jīng)過與測量值對比，減少誤差；（2） 確定成像過程中的比例尺定標；（3） 根據(jù)圖3.3搭建完整光路圖，等間距移動物體，通過光具座上的坐標尺等距離移動被測目標，采集移動到各個位置處的光斑圖像；（4）測量如圖3.3中三角形各邊長度A、B、a、b，用于計算光軸和法線之間的夾角；（5）記錄數(shù)據(jù)，并將采集到的各部分數(shù)據(jù)進行相應處理，最終由（式3-11）計算出物體實際 移動距離并畫出位移曲線圖。4.2 測量數(shù)據(jù)

14、記錄4.2.1 測量獲得成像透鏡焦距在實際應用中，如非接觸式測量時，成像透鏡到物體的距離無法直接測量出，或者知道但精確度不高，影響到系統(tǒng)的測量準確度，所以需要間接得出該段距離。可以通過測量成像透鏡的焦距f計算出該段距離。對于直射式激光三角法測距計算方法如下圖4.1：圖4.1 間接測量透鏡焦距原理圖如上圖所示，有如下關系 被測距離為 （5-1）其中為成像透鏡到物體表面距離，為成像透鏡到CCD距離，為CCD上的位移。當測量方式為斜射式時將CCD、成像透鏡、目標三者沿光學實驗平臺某一行或列放置，使三者盡量在一條直線上，移動物體至某一位置，調(diào)整透鏡使成像最清晰，分別測量此時透鏡到CCD距離和透鏡到物體

15、距離，由物象位置關系式 ，求出透鏡焦距，多次測量求得成像透鏡焦距平均值。數(shù)據(jù)記錄見表1。表1 測量透鏡焦距數(shù)據(jù)記錄69.8cm8.9cm7.89cm79.9cm8.8cm7.93cm92.4cm8.6cm7.87cm4.2.2 定標定標的目的是為了獲得CCD和物體在CCD表面實際移動距離的對應關系，為后面確定物體實際移動距離奠定基礎。定標時將刻度尺放在光具座上，固定在某一位置處，距離盡可能遠，以便減小物體縱向時可以忽略的定標尺寸變化。并且要保證刻度尺在計算機上成像盡量水平，這樣定標才能準確。用手電筒照射刻度尺，移動調(diào)節(jié)成像透鏡鏡頭，使刻度尺的像最清晰，用計算機上的軟件采集圖像信息，最后通過ma

16、tlab軟件計算出該段距離，該段距離與刻度尺上的標準距離之間有一對應關系，該對應關系即為所需要的標尺。在后面的數(shù)據(jù)處理時均以此標尺為標準來進行計算。實驗數(shù)據(jù)見圖5.1。4.2.3 移動物體測量位移 本次測量物體位移中，物體目標放置于光具座上，通過移動光具座上的游標卡尺，為了數(shù)據(jù)處理的準確性以及實驗結果的誤差分析，每次目標移動都是等間距，采集目標每移動5mm后的光斑圖，以相同的格式保存每個光斑圖，以便后期用MATLAB軟件進行圖像處理。由于目標移動后多得的光斑基本一致，故其中的兩個物體位移的光斑數(shù)據(jù)實驗記錄見圖4.2 ，其余12個物體位移的光斑數(shù)據(jù)圖見附錄5. 圖4.2 物體移動光斑數(shù)據(jù)圖表2

17、激光三角法實驗數(shù)據(jù)表斜邊A直角邊B物距a像距b物體移動d測量值83.5cm25.6cm79.4cm7.9cm5mm83.4cm25.7cm79.5cm8.1cm5mm83.6cm25.6cm79.4cm8.1cm5mm5. 測量數(shù)據(jù)處理5.1 各個距離測量值計算由表1可算出透鏡的平均焦距為f=1/3×(7.89+7.93+7.87)cm=7.897cm從該計算出的透鏡平均焦距和實際測量中像距可以得出，測量時放置透鏡的位置已經(jīng)接近理想值，所以可以用平均像距和平均物距來測量軸向放大倍率，最后算出物距。而該透鏡平均焦距只是計算值，不代表實驗中該距離就是最清晰最合適測量的，所以實驗時還是調(diào)節(jié)

18、像距，使得CCD的成像最清晰時再測量。由表2可算出各個長度測量值的平均長度為：A=(1/3) ×(83.5+83.5+83.6)cm=83.500cmB=(1/3) ×(22.1+21.9+22.1)cm=25.633cma=(1/3) ×(79.4+79.5+79.4)cm=79.433cmb=(1/3) ×（7.9+8.1+8.1）cm=8.033cm本次實驗中，測量各個距離時都是多次測量，處理時采用多次測量值平均值法。本次微小位移測量很容易受到測長度時微小誤差的影響，使得結果出現(xiàn)很大的誤差。而采用多次測量值平均值法，可以有效的減少誤差。5.2 定標

19、計算 用matlab軟件處理定標圖像，估計刻度尺最長厘米所在刻度的位置，編程選取該行，讀取相鄰峰值間的像素間距，求取平均值，計算出比例尺。定標圖數(shù)據(jù)圖5.1所示。用MATLAB處理后定標數(shù)據(jù)圖后像素間距圖如圖5.2所示。圖5.1 定標數(shù)據(jù)圖圖5.2 定標圖像matlab處理后像素距離圖表3 定標數(shù)據(jù)處理值相鄰峰值像素間距166像素160像素164像素160像素軸向放大倍率=-b/a=-8.033/79.433=-0.101刻度尺實際距離1cm1cm1cm1cm實際1cm經(jīng)成像透鏡縮小后的像大小0.101cm0.101cm0.101cm0.101cm每個像素對應的實際距離大小 因此CCD和實際距

20、離之間的對應關系為：實際每個像素對應實際距離為。5.3 光斑位移量計算用matlab軟件處理定標圖像，估計每個光斑中心處的行位置，編程選取該行，讀取該位置處的像素值，計算等間距移動后像素值移動的距離。再由坐標尺可計算出每次移動的位移x，每一厘米實際距離對應162.5個像素。表4 光斑移動后像素移動值及對應的空間移動距離各光斑像素坐標與前一光斑間像素差像距離x（mm）各光斑像素坐標與前一光斑間像素差像距離x（mm）26300444250.155290250.155468240.149316260.162494260.162342260.162517230.143369250.155541240.

21、149396250.155563250.155419230.143584230.1435.4夾角和物體實際移動位移計算 根據(jù)如圖3.3所標定的量及測量值，通過余弦定理，計算夾角大小。由公式（3-11）計算得到的13次移動得到的實際物體移動量 表5 相鄰光斑間物體實際移動距離物體移動次數(shù)物體實際距離x(mm)物體移動次數(shù)物體實際距離x(mm)1085.05625.05694.84835.299105.29945.299114.64155.056124.84865.056135.05674.641144.641圖5.3目標實際位移和計算位移擬合曲線圖6. 誤差分析及方案評價6.1 相對誤差和絕對誤

22、差計算 由相對誤差計算公式：相對誤差=|真實值實際值|/實際值，計算出相對誤差平均值。平均相對誤差= 1/13×(1.12%+5.98%+5.98%+1.12%+1.12%+7.18%+1.12%+3.04%+5.98%+7.18%+3.04%+1.12%+7.18%)=3.93%平均絕對誤差=1/13×（0.056+0.299+0.299+0.056+0.056+0.359+0.056+0.152+0.299+0.359+0.152+0.056+0.359）mm=0.197mm由以上計算所得的平均相對誤差和平均絕對誤差可以看出，本次測量所用方案是可行的，差生的誤差在可以接

23、受的范圍以內(nèi)。6.2 誤差分析方案驗證過程中，任何一個步驟都會存在誤差，并且有些誤差是不可避免的。針對本次測量，誤差產(chǎn)生的原因主要有兩大類：一：系統(tǒng)誤差（1） 儀器的不完善、儀器不夠精密或者安裝調(diào)整不妥，如刻度不準、零點不準等，導致測量長度時引起讀數(shù)誤差。（2） 讀數(shù)是眼睛不能絕對的正視刻度尺，使得測量值偏大或偏小。（3） 在定標時，在采集軟件上觀察到刻度尺的像不是完全水平，還有一些傾斜，故造成比例尺存在誤差。（4） 本次測量需要在不同燈光下采集定標圖像和光斑圖像，反復開光燈，影響物體上的光照，使得圖像有噪聲影響。（5） 用MATLAB進行圖像處理時，都是大概取光斑所在行和厘米刻度所在行，造成

24、一定誤差。（6） 被測物體表面的光澤和粗糙度關系到散射光斑的大小和光強。二：隨機誤差 在相同條件下，對于同一物理量進行重復多次測量，即使系統(tǒng)誤差減小到最小程度之后，測量值仍然出現(xiàn)一些難以預料和無法控制的起伏，而且測量誤差的絕對值和符號在隨機地變化。針對本次測量，隨即誤差的主要來源于人的視覺和觸覺能力的限制以及實驗環(huán)境偶然因素干擾。例如溫度、濕度、電源電壓起伏、氣流波動以及實驗平臺振動等因素的影響。6.3 設計方案評價設計的改良版斜射式激光三角法測位移方案，精度較高，光路簡單易搭建，所需器件簡單，減少光斑成像扭曲，受環(huán)境溫度影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)微位移的非接觸式測量。此方案與直射式相比具有測量精度高，

25、與傳統(tǒng)的斜射式相比光斑較小且不會扭曲，綜合考慮認為本設計方案成功，然而盡管光斑變小了，為了后期圖像處理，還是不能每處都能形成光斑，因此不能測量物體各個點處的位移。同時受激光器特性和CCD有效接收面積的限制，測量范圍有限，為提高測量精度和大尺寸測量，提出以下改進方案。為提高測量精度，一方面可以改進光源，選擇聚焦深度長，中心光斑小的光束作為入射光束。另一方面可以設計發(fā)光射光強可自動調(diào)節(jié)的裝置，根據(jù)物體表面特征的不同，實時調(diào)節(jié)發(fā)光強度，能夠使CCD接收到最佳圖像。最后一個方面，選擇接收面積更大成像更好的光電探測器，以便提高測量位移的可操作性。7. 課題分析評價該課題基于本專業(yè)所學知識，與專業(yè)相關，能

26、夠聯(lián)系所學知識，拓展了知識面。課題研究的方向主要是應用于非接觸方式測量微小位移，激光光斑的移動對位移很敏感，同時圖像處理能夠準確計算位移，對物體的位移能夠準確標定。測量時對物體表面的粗糙度要求較低，針對測量物的不同可選擇直射式和斜射式方式，測量方法簡單，在生活中可以得到廣泛應用。隨著半導體制造技術的發(fā)展，激光三角法測位移能夠達到更高的精度，測量方法更加成熟化，有很好的應用前景。8. 課設總結本次課程設計能夠緊密聯(lián)系本專業(yè)所學知識，通過本次課程設計，加深了對激光三角法測量物體位移的基本原理和測量方案的了解，把書面的知識運用到實驗中，發(fā)現(xiàn)許多不可預計的問題，并學會了減少測量誤差的方法，這是一個把理

27、論和實驗結合起來很好的機會。學習過的實驗方法、數(shù)據(jù)處理方法能夠很好地綜合，對所學知識是一種鞏固，同時使自己有了更進一步的工程設計思想，為接下來將要進行的畢業(yè)設計奠定了很好的基礎。輔導老師能夠耐心、細致的指導我們的課程設計，鼓勵我們能夠積極提出問題并幫助解決，積極嘗試多種方案測量位移，在此表示衷心感謝。在今后的學習中會更加注重實驗設計，增強動手能力。參考文獻1 范志剛，左保軍，張愛紅.光電測試技術（第2版）M.北京：電子工業(yè)出版社.2008,3113152 萬謹，黃元慶.激光三角法測量的研究J.三明學院學報，2006-12(4),3613643 王曉嘉，高雋，王磊.激光三角法綜述J.儀器儀表學報，2004-8(4),6016084 吳劍鋒，王文，陳子辰.激光三角法測量誤差分析與精度提高研究J.機電工程，2003(5),90915 C.岡薩雷斯(Rafael C.Gonzalez)，Richard E.Woods.數(shù)字圖像處理(第二版)M.北京:電子工業(yè)出版社,2007，2363116 李蘭君，喻壽益